INTRODUCCION Los elementos finales de control son los dispositivos encargados de transformar una señal de control en un flujo de masa o energía (variable manipulada). Es esta variable manipulada la que incide en el proceso causando cambios de la variable controlada. Lo más común en procesos es que la manipulación sea un caudal. Para ajustar el flujo de fluidos en una línea existen primariamente dos mecanismos: 1. Modificar la energía entregada al fluido (bombas y ventiladores de velocidad variable) 2. Modificar la resistencia al paso del fluido (válvulas, registros en ductos de gases) De los diversos elementos finales de control, el de más amplia difusión es la válvula automática con actuadores neumáticos o eléctricos. La válvula de control La válvula de control es básicamente un orificio variable por efecto de un actuador. Constituye el elemento final de control en más del 90 % de las aplicaciones industriales. En la figura siguiente se ve una válvula globo con un actuador neumático de diafragma en donde se indican las diversas Piezas que la constituyen. (Figura 1). Esta válvula utiliza una señal externa que puede ser neumática o eléctrica y posteriormente transformada en una de tipo neumática que incide el cabezal. Estos elementos los podemos considerar constituidos por dos partes: Figura 1 Corte de una válvula de control con sus partes (Ver glosario)
Actuador: recibe la señal de controlador y la transforma en un desplazamiento (lineal o rotacional) merced a un cambio en la presión ejercida sobre el diafragma.
Cuerpo: el diafragma está ligado a un vástago o eje que hace que la sección de pasaje del fluido cambie y con ésta el caudal.
Figura 2 Diagrama a bloques de una válvula como sistema seria
Especificación de válvulas Especificar una válvula de control implica determinar las características de: Cuerpo e internos: indicando el tipo, material y serie que se fija de acuerdo al servicio que debe prestar. También hay que indicar el diámetro que está relacionado con la capacidad y a esto se lo denomina dimensionamiento. Por último, algunos tipos de válvula permiten elegir la característica de Flujo. Actuador: una vez conocidos los detalles del cuerpo se debe elegir el tipo de motor (neumático de cabezal o pistón, eléctrico, etc.), la acción ante falla y el tamaño. Accesorios: corresponde a elementos adicionales como transductores I/P o V/P, volante para accionamiento manual, posicionador, etc. Tipos de válvulas de control Existen diversos tipos de cuerpos, que se adaptan a la aplicación. Los que más se emplean en la práctica industrial se muestran en la tabla siguiente. Teóricamente el tipo debe adoptarse en función de las necesidades del proceso, aunque a veces hay razones, económicas por ejemplo, que obligan a usar un tipo aunque éste no sea el más adecuado.Tabla 1
Tabla 2
Figura 3 Componentes principales de válvulas de control de vástago deslizante
Definiciones Básicas de una válvula de control Nota Aclaratoria: La normativa para la terminología inglesa aplicable a este apunte es en parte de la ASME Standard 112 Diaphragm Actuated Control Valve Terminology. Actuador a Diafragma: (Diaphragm Actuator). Actuador cuyo elemento de transformación de presión en fuerza es un diafragma que es un elemento flexible sensible a la presión que trasmite la fuerza a la placa del diafragma y esta a su vez al vástago del actuador. La placa es un conjunto metálico concéntrico con el diafragma en la que el vástago se sujeta. Anillo de Retención: (Retaining Ring). Anillo dividido que se usa para sujetar la brida separable del cuerpo de la válvula. Apoyo del Resorte: (Spring Seat) En los actuadores a diafragma se regula la precarga del resorte con dos piezas una es el apoyo del resorte y la otra un tornillo de ajuste que a su vez es hueco y oficia buje de guía del vástago del actuador en algunas disposiciones. Bonete o Cuello: (Bonnet, Bonnet Assembly ). Pieza principal del conjunto a tapa de cuerpo de Válvula denominado usualmente con este nombre.Es decir esta pieza y el conjunto se llaman del mismo usualmente del mismo modo. Para servicios en los que la válvula debe manejar fluidos muy fríos o calientes se usa un bonete extendido que separa el receptáculo de la empaquetadura del resto cuerpo de la válvula. Brida separable: (Separable Flange)Brida que se puede separar del cuerpo de la válvula en el que ajusta y se sujeta mediante un anillo de retención, las bridas del cuerpo fijas o separables permiten la conexión de la válvula a la cañería. Brida inferior: (Bottom Flange) Brida que cierra la abertura que algunas válvulas tienen en la parte del cuerpo opuesta al bonete, generalmente la inferior. Bujes de Guía: (Guide Bushing). El vástago de la válvula que soporta al obturador puede estar guiado por un buje en el bonete, dos bujes uno en el bonete y otro en la brida inferior, o bien por un buje en el bonete y por la jaula etc. Carcasa del Diafragma: (Diaphragm Case). Contenedor de dos piezas (superior e inferior) que contienen al diafragma permitiendo en conjunto el establecimiento de una diferencia de presiones y su transformación en una fuerza para mover el vástago de la válvula. Camisa : (Jacket) Encamisado para mantener temperatura en cañerías espacio envolvente por el que circula un fluido generalmente para termostatizar. (Vaccum Jacketed) Encamisada con cámara de vacío. Cilindro: (Cylinder). Actuador neumático compuesto de cilindro y pistón deslizante con acción por aire en una dirección y retorno a resorte (simple efecto) o bien en dos direcciones (doble efecto). La actuación puede ser directa o inversa según sea que la presión del aire haga salir el vástago o viceversa. También llamado Actuador a Pistón,
Cilindro Neumático, etc. La ventaja de los cilindros de doble efecto es que pueden realizar fuerzas casi iguales en ambos sentidos. Connector del Vástago: (Stem Connector). Abrazadera en dos partes que solidariza el vástago del actuador y el del macho de la válvula. Cuerpo de Válvula: (Valve Body). Alojamiento de los interiores y restantes piezas de la válvula que además permite la conexión de la misma a la cañería, se clasifican según las vías y los asientos.Los asientos determinan la cantidad de conexiones internas de control de pasaje de fluido, Por ejemplo Simple asiento, doble asiento. Las vías determinan la cantidad de conexiones externas dos vías es lo habitual, pero puede haber tres vías y más raramente otras cantidades. Guardapolvos: (Rubber Boot). Fuelle de elastómero normalmente sintético con extremos apropiados para proteger el vástago de un cilindro neumático con el objeto de evitar la entrada de suciedad que estropea la terminación superficial del mismo que sirve para conservar la estanqueidad de la cámara anterior de dicho cilindro. Indicador de Recorrido: (Travel Indicator). Un señalador sujeto junto al conector del vástago, muchas veces en forma de disco que permite visualizar la posición relativa del macho en su recorrido. Este señalador marca la posición en una escala normalmente fija al yugo de la válvula. Interiores:(Trim). Las partes internas que están en contacto directo con el fluido controlado. Jaula: (Cage). Pieza cilíndrica hueca que permite el ajuste del caudal que atraviesa la válvula funcionando en combinación con el obturador al que guía. Las paredes de la Jaula tienen aperturas cuyas formas determinan la característica de flujo de la válvula de control. Obturador (macho): (Plug , Closure Member) Parte móvil que permite variar el tamaño de la abertura de pasaje de la válvula. Prensa estopa o alojamiento de empaquetaduras: (Packing Box). En el bonete existe un alojamiento para las empaquetaduras que sellan el espacio entre el vástago y el bonete de manera de evitar las pérdidas de fluido. Para lograr este objetivo se utilizan varias piezas. Tuerca de la empaquetadura. (Packing Nut). Resorte de la empaquetadura. (Packing Ring) Brida de empaquetadura. (Packing Flange) Pernos de la brida de Empaquetadura. Prolongador de la Empaquetadura. Wipers o barredores de lubricante. Etc. En el conducto por donde se lubrica la empaquetadura (lubricador opcional en algunos casos) encontramos la válvula de aislamiento (Isolating Valve), que es una pequeña válvula operada manualmente para aislar la presión del fluido ubicada entre la entrada de lubricación y el alojamiento de la empaquetadura.
Resorte del Actuador: (Actuator Spring). Es el resorte antagónico del diafragma de la válvula. Es decir la válvula de control tiene un actuador en general de simple efecto con retorno a resorte. Este resorte está soportado por el yugo. Sellos del Vástago: (Stem Seals). Sellos tipo O´rings, Wipers , o Empaquetaduras de materiales combinados. Normalmente de Cauchos Sintéticos con el objeto de resistir los lubricantes de los actuadores que evitan el escape de aire a presión de las cámaras de los cilindros neumáticos. Vástago del Actuador: (Actuator Stem). Esta pieza cilíndrica roscada vincula el diafragma del actuador con el vástago del disco de la válvula. Vástago del Obturador: (Plug Stem). Barra que se extiende a través del conjunto del cuello de la válvula o bonete y que permite mover al obturador desde fuera de dicho conjunto. Yugo: (Yoke). Estructura que permite solidarizar el actuador al cuello de la válvula. (Angle Valve). Es una válvula en la que los ejes de la entrada y la salida forman un ángulo. Usualmente perpendiculares. Válvula Globo: (Globe Valve). Válvula cuya construcción se distingue por el control del flujo mediante un movimiento lineal, con uno o más pasajes de fluido y que normalmente tiene una forma globular a la altura de dichos pasajes. Válvula Globo Separable: (Split Style). Válvula cuya construcción se distingue por tener el cuerpo dividido en dos partes, una superior en la que se fija el bonete, y otra inferior , entre ambas se encuentra el asiento fácilmente intercambiable gracias a esta disposición.
Definiciones definidas de una valvula de control: Asiento: (Port, Seat). Abertura a través de la cual pasa el fluido en general un asiento metálico resistente de diámetro determinado de material resistente al desgaste que provoca el paso del fluido. Muchas veces intercambiable para efectuar mantenimiento de la válvula. El macho o Plug de la válvula toma contacto con el asiento para lograr el cierre total, el grado de cierre está clasificado. (Single Ported) Simple asiento. Asiento con elastómero (Soft Seat): El macho o Plug de la válvula toma contacto con el asiento donde el mismo tiene un parte de elastómero o plástico de manera de para lograr un buen cierre total. Desviación de Flujo: (By Pass) Es una de las formas en que trabajan las válvulas de control, haciendo una derivación del flujo que interviene en alguna operación o proceso. Estrangular: ( Throttle ) Si bien el término inglés no significa estrangular el hecho de hacer pasar por una garganta el flujo tiene en castellano una descripción clara con esta palabra, que de hecho es lo que provoca la pérdida de carga en la Válvula de Control.
Ganancia, Ganancia de la Válvula: (Gain, Static Gain, Valve Gain, Installed Valve Gain) La ganancia es en términos generales la relación entre el incremento de la salida respecto de la entrada, en las condiciones de estado estacionario se la suela denominar ganancia estática, también a la ganancia aplicada a las mediciones se la suele denominar sensibilidad. La ganancia sin embargo en una válvula dependerá de los parámetros de funcionamiento y de su relación con el resto de la instalación (ver característica inherente).
Dimensionamiento de válvulas de control Por dimensionamiento se entiende la determinación del tamaño de la válvula, que viene dado por su diámetro. Es evidente que hay razones económicas que hacen que esta tarea sea importante, hay que tratar que este dispositivo tenga el menor tamaño (y por lo tanto el menor costo). Pero también hay razones técnicas, ya que válvulas sobre dimensionadas pueden llegar a tener un pobre desempeño cuando trabajan en un lazo de control. El método más aceptado para el dimensionamiento es conocido como el Procedimiento de Cv. Cv es el Coeficiente de Flujo de la válvula y depende del tipo, diámetro y grado de apertura de este dispositivo. Las fórmulas básicas para el cálculo de Cv son:
Donde: F: Caudal. Para líquidos en (gal/min), para vapor en (lb/h) y para gases en (ft3/seg) estándar (60 °F y 14.7 psia) ɅPV: Pérdida de carga en la válvula en (psig) P1: Presión aguas arriba (psia) P2: Presión aguas abajo(psia) Ƴ: Densidad relativa del líquido respecto del agua a 60 °F Tsh: Recalentamiento del vapor respecto de las condiciones de saturación (°F). Vale cero para vapor saturado. G: Densidad relativa del gas respecto al aire a 60 °F y 14.7 psia T1: Temperatura del gas a la entrada de la válvula Esto sólo se aplica cuando el régimen de flujo es subcrítico y turbulento. Además, para líquidos hay que verificar que no se produzca cavitación. Si el régimen es viscoso o de transición se deben aplicar otras fórmulas. Cuando hay vaporización parcial del líquido, el régimen es crítico y se tiene en cuenta con una ecuación de dimensionamiento distinta con un coeficiente adicional. Para gases, también se debe tener en cuenta si el régimen es crítico o de transición.
Para un tipo determinado de válvula, el coeficiente Cv es proporcionado por el fabricante y depende del diámetro (d) y de la apertura (x):
Los fabricantes proveen tablas (o gráficos) de Cv en función del diámetro y la apertura. Los datos que se precisan para dimensionar una válvula son: Presión aguas arriba y abajo de la válvula. Si la válvula se va a instalar en una línea existente,esto se puede conocer, ya que existe el mecanismo de movimiento del fluido (bombas, alturagravimétrica, colector de alta y baja presión, etc.). Si se está proyectando la línea en la que se instala la válvula, se debe adoptar una pérdida de carga “razonable”. La experiencia sugiere que la pérdida de carga PV sea aproximadamente la tercera parte de la perdida de carga total (incluida la válvula). Rango de caudales de trabajo. Se deben conocer entre que valores de flujos trabajará en estadoestacionario la válvula. Esto implica fijar FNmin: caudal de estado estacionario mínimo FNmax: caudal de estado estacionario máximo Para estos dos caudales habrá que calcular los respectivos Cv (CvNmin, CvNmax). De tablas de Cv proporcionada por los fabricantes se puede calcular la apertura en el rango de operación. Se debe escoger el diámetro de modo que la válvula trabaje en el término medio de su carrera (30 al 70 % de apertura), preferentemente lo más próximo al límite superior. Una práctica recomendada es evaluar también el caudal máximo que pasará en condiciones de máxima apertura (Fmax). La experiencia práctica recomienda que Fmax sea 25 a 30 % mayor a FNmax. Temperatura y propiedades físicas del fluido. Dependiendo del tipo de servicio se requiere conocer temperatura, densidad, viscosidad, presión de vapor, etc. Característica de Flujo La relación entre el flujo que pasa por una válvula y su apertura se denomina Característica de Flujo. Los fabricantes proveen lo que se denomina Característica Inherente de Flujo, que es la relación caudal apertura para pérdida de carga constante, que en definitiva es la relación de Cv con la apertura. Esta es una propiedad intrínseca de la válvula. Existen Características Inherentes ampliamente difundidas entre los fabricantes. Algunas se presentan en la siguiente tabla y figura.
La Característica de Flujo Instalada es la relación flujo apertura de la válvula en la línea en las condiciones de trabajo. Cuando una válvula de control se instala en una planta de proceso, su característica de flujo depende de la Característica Inherente y del resto del sistema. En los gráficos de las Figuras 4 y 6 se pone en evidencia que la instalación puede tener una influencia sustancial la característica de flujo instalada produciendo en algunos casos mportantes distorsiones respecto de la inherente.
Figura 4
Figura 5
Numero de Reynolds Regímenes del movimiento de los fluidos El investigador inglés Osborn Reynolds en 1833 clasificó el movimiento de los fluidos en tres regímenes. 1. Laminar. 2. Transitorio. 3. Turbulento.
Régimen Laminar: El fluido se mueve como capas o laminas paralelas entre si, en una misma dirección y sentido, también se denomina régimen viscoso Régimen Transitorio: Se caracteriza porque el flujo en determinados instantes se comporta laminar y en otros manifiesta tendencias al movimiento turbulento. Régimen Turbulento: Las partículas del fluido no se mueven en forma de capas paralelas, sino que se desplazan en diferentes direcciones, creando un estado de agitación o turbulencia al tiempo que la masa total del fluido se mueve en una dirección. Para caracterizar el régimen del movimiento se determina como numero de Reynolds Este es un numero adimensional. Re=DVþ/u=DV/v*10^-6 V=velocidad del fluido----- m/s D=diámetro del tubo------- m v=viscosidad cinemática--- Cst(centistoke)
Valores del numero de Reynolds
Figura 6
